Il controllo dei fumi nei grandi ambienti

Ing. Alessandro Temperini

Scritto da Ing. Alessandro Temperini
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il 20 Settembre 2021 in Norme e Decreti

Immaginate la scena: Vienna, fine ‘800. Al Wiener Staatsoper si sta per svolgere la replica del Don Giovanni di Mozart di fronte ad un pubblico da tutto esaurito, 2.260 posti. Il magnifico teatro è realizzato completamente in legno, sontuosi drappeggi rivestono le pareti ed il sipario, mentre l’unica illuminazione possibile è quella delle centinaia di candele presenti, un pericolo considerevole, capace di trasformare il teatro in una gigantesca palla di fuoco in ogni momento. Capite subito che questa situazione ha rappresentato, già due secoli fa, una delle prime grandi sfide dello smoke management.

L’esempio proposto non è casuale in quanto il primo approccio conosciuto a questa disciplina risale al 1881 quando, a seguito di un gravissimo incendio in un altro teatro di Vienna, la società degli ingegneri austriaca decise di condurre studi approfonditi e prove in scala ridotta per poter determinare il comportamento del fumo e capire quali metodi utilizzare per controllarlo, proteggendo al contempo gli occupanti degli edifici più a rischio.

Il risultato di tali studi furono i primi cupolini, cioè aperture naturali destinate all’evacuazione dei fumi prodotti dall’incendio al fine di permettere agli occupanti di allontanarsi in sicurezza.

Ovviamente da allora l’evoluzione portata avanti nell’ambito dello smoke management ha portato a sviluppare una serie di approcci e misure atte ad affrontare il problema nei grandi ambienti interni che si sviluppano in almeno due piani di altezza (come i grandi mall e centri commerciali, le arene sportive coperte o i già citati teatri).

Sostanzialmente l’approccio allo smoke management per queste attività si compone seguenti punti:

  • Definire gli scenari di progetto;
  • Definire gli obiettivi da raggiungere;
  • Scegliere la tipologia di sistema da adottare;
  • Scegliere il tipo di analisi per il dimensionamento.

SCENARI DI PROGETTO
Lo scenario di progetto rappresenta l’insieme degli eventi e delle condizioni che determinano tutte le caratteristiche dell’incendio. Oltre alla posizione del focolaio ed alla velocità di rilascio termico (HRR), uno scenario di progettazione può includere molte altre condizioni come i materiali combusti, lo stato del sistema HVAC e l’attivazione dei sistemi SEFC. Un’analisi progettuale dovrebbe includere i possibili scenari che si potrebbero verificare nell’attività oggetto di studio ed in tutti i locali comunicanti, selezionando i più significativi e gravosi.

Nella selezione degli scenari di progetto può essere considerato l’effetto di un eventuale sistema di spegnimento che andrà ad influire sull’evoluzione della curva HRR di rilascio termico. In alternativa è possibile definire lo scenario di incendio più cautelativo, cioè quello in cui il sistema sprinkler non raggiunge l’attivazione. Tale ipotesi è verosimile nel caso di soffitti molto alti, in cui c’è il rischio che il fumo raffreddi salendo di quota ritardando così l’attivazione del sistema di spegnimento o che quota parte dell’acqua erogata evapori prima di raggiungere il fuoco.

La selezione degli scenari di incendio non deve fermarsi al solo volume da proteggere ma devono essere valutati anche incendi in locali comunicanti, come potrebbero essere i vari negozi affacciati sulla mall di un centro commerciale. In questo caso l’analisi delle possibili condizioni di incendio deve allargarsi ai singoli tenant, dato che nell’evoluzione dell’incendio i prodotti della combustione andrebbero a riversarsi sulla mall comunicante.

OBIETTIVI DA RAGGIUNGERE
La scelta ed il dimensionamento del sistema di controllo fumi da adottare è sempre subordinato all’obiettivo di salvaguardia da raggiungere. Nello specifico occorre stabilire se la finalità del sistema sarà quella di proteggere l’esodo degli occupanti; di favorire unicamente le squadre di soccorso nello spegnimento dell’incendio o di evitare il collasso della struttura contenendo gli effetti termici dell’incendio.

Solitamente nei grandi centri commerciali l’obiettivo principale dello smoke management è quello di proteggere la fase di esodo degli occupanti mentre ad esempio, per un grande hangar oppure un capannone industriale è ragionevole presumere che l’obiettivo principale sarà legato alla salvaguardia delle squadre di intervento e della struttura.

TIPOLOGIA DI SISTEMA DA ADOTTARE
Un aspetto fondamentale quando si affronta il problema dello smoke management negli ambienti di grande dimensione è l’approccio progettuale e la conseguente scelta della tipologia di sistema da adottare.

Sostanzialmente gli approcci utilizzabili sono 5:

  • Riempimento naturale;
  • Controllo naturale con layer di fumo costante;
  • Controllo naturale con layer di fumo instabile;
  • Controllo forzato con layer di fumo costante;
  • Controllo forzato con layer di fumo instabile.

RIEMPIMENTO NATURALE
Questo approccio consiste nello sfruttare l’altezza dell’intero volume da proteggere come serbatoio di accumulo dei fumi senza necessariamente allontanarli o rimuoverli. Il principio è molto semplice, il tempo di accumulo dei fumi nel serbatoio a soffitto dovrà essere maggiore del tempo impiegato dagli occupanti a completare l’esodo. Il tempo di riempimento andrà dall’istante dell’innesco fino al tempo in cui i fumi scenderanno ad un’altezza predeterminata (ad esempio a 2m dal pavimento oppure ad un’altezza tale da proteggere la balconata più alta di un mall commerciale).

Chiaramente questo approccio è subordinato alla geometria del locale e difficilmente applicabile in casi reali, ma costituisce una valutazione che può sempre essere fatta e, a volte, essere la soluzione più semplice al problema del controllo dei fumi.

CONTROLLO NATURALE CON LAYER DI FUMO COSTANTE
Non volendo entrare in merito ai sistemi di controllo di tipo naturale, già trattati più volte in altri articoli di blog, è sufficiente dire che in questo caso il dimensionamento sarà finalizzato al mantenimento di uno strato costante libero da fumo per un tempo indefinito. Sfruttando quindi la naturale spinta di galleggiamento dei fumi, il bilancio tra la portata dei gas estratti e quelli generati dal focolare dovrà essere nullo al fine di assicurare a regime la stabilità del layer per tutto il tempo necessario.

CONTROLLO NATURALE CON LAYER DI FUMO INSTABILE
Questa tipologia di approccio progettuale è molto simile alla precedente, con l’eccezione che viene accettato un layer di fumo non costante, cioè variabile nel tempo. Nello specifico il sistema avrà la capacità di rallentare la discesa del fumo il tempo necessario al raggiungimento dell’obiettivo (esodo degli occupanti) senza la pretesa di creare uno strato costante per un tempo indeterminato.

CONTROLLO FORZATO CON LAYER DI FUMO COSTANTE
In analogia ai sistemi di tipo naturale già menzionati, e non volendo scendere in trattazioni già ampiamente discusse, basterà dire che il bilancio volumetrico tra i fumi prodotti e quelli espulsi dovrà essere mantenuto pari a zero al fine della creazione di un layer stabile da un sistema di estrazione di tipo meccanico.

CONTROLLO FORZATO CON LAYER DI FUMO INSTABILE
Il concetto è lo stesso dei sistemi naturali, con l’eccezione che l’espulsione dei fumi sarà affidata ad un sistema di tipo meccanico invece che alla naturale stratificazione dei fumi caldi.

TIPO DI ANALISI
Tutte le tipologie di approccio progettuale precedentemente elencate hanno come scopo ultimo la definizione del sistema ed il suo dimensionamento. Per poter effettuare ciò è possibile ricorrere a 4 differenti approcci:

  • Utilizzo di equazioni algebriche;
  • Analisi con modelli a zone;
  • Analisi con modellazione CFD;
  • Analisi con modellazione in scala.

UTILIZZO DI EQUAZIONI ALGEBRICHE
L’approccio più semplice ed immediato è quello che utilizza le equazioni algebriche presenti in letteratura. Tali formule sono spesso di tipo empirico e permettono di determinare i vari parametri dell’incendio, tra cui il volume di fumo prodotto e la sua temperatura ed ipotizzarne la possibile stratificazione in funzione del tempo. Tale approccio ha come limite le stesse equazioni matematiche che sono state determinate in sede sperimentale in base a specifiche condizioni di contorno, le quali possono non coincidere o differire con quelle dello specifico caso analizzato. Molto spesso l’approccio algebrico viene utilizzato come primo step di un’analisi più complessa, in cui la validazione finale viene affidata ad una simulazione fluidodinamica CFD.

ANALISI CON MODELLI A ZONE
I modelli a zone sono modelli matematici che semplificano complessivamente il sistema in due volumi separati, quello occupato dai fumi e quello occupato dall’aria pulita. In un mall, o in generale in un grande ambiente, tale suddivisione rispecchia approssimativamente la situazione reale, ma non viene però presa in considerazione la zona di transizione fumo-aria, né la variabilità delle grandezze all’interno dello strato di fumo.

Nel caso di un incendio reale tutti questi valori non sono costanti, dato che il bilancio di massa entrante ed uscente dal serbatoio è variabile, oltretutto la concentrazione dei gas e la loro temperatura variano in maniera considerevole in funzione dell’altezza all’interno dello strato di fumo. I modelli a zona considerano un layer dei fumi orizzontale, costante e nettamente definito, uniforme in tutte le sue grandezze, omettendo tutto ciò che accade nello strato di transizione. Tali semplificazioni costituiscono pertanto la reale limitazione di questo tipo di approccio.

ANALISI CON MODELLAZIONE CFD
L’analisi mediante calcolo CFD (Computational fluid dynamics) si basa sulla simulazione effettiva dell’incendio mediante la suddivisione dello spazio reale in un grande numero di celle su cui un software applica e risolve modelli di calcolo, quello che comunemente viene chiamato approccio ingegneristico. Un’analisi di questo tipo è in grado di simulare in maniera accurata il plume dei fumi, il flusso dei gas, la stratificazione comprensiva dello strato di transizione dei fumi, nonché gli effetti della velocità dei flussi entranti ed uscenti come ad esempio le grandezze che innescano il plugholing. L’approccio di tipo ingegneristico tramite analisi CFD è attualmente uno dei sistemi più complessi ed evoluti per affrontare lo smoke management di un edificio, richiede pertanto conoscenze, esperienza ed un’elevata potenza computazionale.

MODELLAZIONE IN SCALA
La modellazione in scala è la soluzione meno diffusa ed utilizzata dato che presuppone la ricreazione dello scenario di incendio in un modello fisico reale in scala. Il suo utilizzo è pressoché relegato agli ambiti di ricerca ed accademici anche se la sua affidabilità è addirittura superiore a quella fatta tramite analisi CFD. Come si può intuire dai primi problemi affrontati dagli ingegneri austriaci di fine ‘800 ad oggi la materia dello smoke management per i grandi volumi si è molto allargata, presentando complesse ed articolate sfaccettature. Queste, come la trattazione analitica ed il reale dimensionamento, saranno trattate nei prossimi articoli di questo blog.

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